Подземные воды в закарстованных и трещинных породах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные понятия

2. Образование закарстованных пород

3. Подземные воды в закарстованных породах

4. Образование трещиноватых пород

5. Подземные воды в трещиноватых породах

Заключение

Список литературы

Введение

Вода относится к важнейшим природным богатствам планеты. Это основа жизни на Земле. Она является источником водоснабжения всех без исключения городов, поселков, деревень и вообще - место обитания человека. Без воды невозможно существование всех живых организмов и растений. Изучение подземных вод чрезвычайно важно для различных отраслей хозяйства. Подземные воды являются фактором постоянного питания рек, имеют исключительное значение для живых организмов, определяют собой ряд геологических процессов (карстовых, суффозионных, оползневых), они имеют большое практическое значение в водоснабжении человечества.

Цель моего реферата рассмотреть, как образуются трещиноватые и закарстованные породы и как в них протекают подземные воды.

подземный вода трещиноватый закарстованный

1. Основные понятия

Подземные воды -- воды, находящиеся в толще горных пород верхней части земной коры в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. Эти воды составляют 2% всей воды на нашей планете.

По условиям залегания подземные воды подразделяются на несколько видов:

· почвенные;

· грунтовые;

· межпластовые;

· артезианские;

· минеральные.

Почвенные воды заполняют часть промежутков между частицами почвы, они могут быть свободными (гравитационными), перемещающимися под влиянием силы тяжести или связанными, удерживаемыми молекулярными силами.

Грунтовые воды образуют водоносный горизонт на первом от поверхности водоупорном слое. В связи с неглубоким залеганием от поверхности уровень грунтовых вод испытывает значительные колебания по сезонам года: он то повышается после выпадения осадков или таяния снега, то понижается в засушливое время. В суровые зимы грунтовые воды могут промерзать. Эти воды в большей мере подвержены загрязнению.

Межпластовые воды -- нижележащие водоносные горизонты, заключенные между двумя водоупорными слоями. В отличие от грунтовых вод, уровень межпластовых вод более постоянен и меньше изменяется во времени. Межпластовые воды более чистые, чем грунтовые. Напорные межпластовые воды полностью заполняют водоносный горизонт и находятся под давлением. Напором обладают все воды, заключенные в слоях, залегающих в вогнутых тектонических структурах.

По условиям движения в водоносных слоях, различают подземные воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях и в трещиноватых скальных породах.

В зависимости от залегания, характера пустот водовмещающих пород, подземные воды делятся на:

· поровые -- залегают и циркулируют в четвертичных отложениях: в песках, галечниках и др. обломочных породах;

· трещинные (жильные) -- залегают и циркулируют в скальных породах (гранитах, песчаниках);

· карстовые (трещинно-карстовые) -- залегают и циркулируют в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

Трещина - это разрыв сплошности горных пород, перемещение по которому либо отсутствует, либо имеет незначительную величину. Форма трещин отличается от формы других полостей в породах (пор, каверн и др.) резким преобладанием протяженности во всех направлениях стенок трещин над расстоянием между стенками. Трещины образуются при действии на породу сил, превышающих предел прочности породы. Эти силы возникают в результате протекания различных эндогенных, экзогенных геологических и антропогенных процессов и могут быть как внешними для породы (тектоническими, гравитационными и др. силами), так и внутренними, возникающими при изменении температуры, влажности, плотности породы.

Система трещин - это совокупность субпараллельных (имеющих близкую пространственную ориентировку) трещин, совместно развитых в конкретном объеме породы. Одновременно бывает развито, как правило, несколько систем трещин, но встречаются массивы горных пород с одной системой трещин или с бессистемной (хаотичной) трещиноватостью.

Трещиноватость или сеть трещин - это совокупность всех трещин, совместно развитых в конкретном объеме горной породы.

Разновидности трещин

· трещины первого порядка - внутрикристаллические, возникают в процессе роста и развития кристалла;

· трещины второго порядка - между кристаллами и в соединяющем отдельные кристаллы межкристаллическом цементе;

· трещины третьего порядка - образуются в результате тектонических процессов и при ведении горных работ. Поэтому при взрывной отбойке учитывают естественную трещиноватость как начальную, и возникающую при работе техники как дополнительную.

Трещины могут быть заполнены трещинными водами (грунтовыми безнапорными или напорными, что может быть опасно для горняков), газами (к примеру, метаном или углекислым газом, что также потенциально опасно), разными минеральными и органическими веществами.

Трещинные воды - это подземные воды, циркулирующие в трещиноватых горных породах. Перемещаются они по системе взаимосвязанных трещин и образуют единую гидравлическую систему.

В зависимости от условий залегания трещинные воды могут быть грунтовыми, межпластовыми, жильными.

Карст - процесс растворения (выщелачивания) трещиноватых растворимых горных пород подземными и поверхностными водами, в результате которого образуются отрицательные формы рельефа на земной поверхности и различные полости, каналы и пещеры на глубине.

Покрытый карст отличается от открытого тем, что закарстованные породы перекрыты нерастворимыми или слаборастворимыми породами: формы поверхностного выщелачивания здесь отсутствуют, процесс протекает на глубине. На контакте с закарстованными породами происходит перемещение материала покрывающих пород в ниже расположенные карстовые полости, в результате чего образуются блюдцеобразные и воронкообразные формы.

2. Образование закарстованных пород

Существует два основных противоположных процесса: с одной стороны, разрушение карстующихся пород химическим и отчасти механическим воздействием подземных и поверхностных внерусловых вод, дающее разнообразные карстовые формы; с другой стороны, отложение продуктов разрушения. Связующим звеном между ними является перенос растворённых и влекомых карстовыми водами веществ. В результате разрушительной деятельности - коррозии и карстовой эрозии - образуются скульптурные формы карста разных размеров. Карстовые формы образуются в результате сложного взаимодействия многих геодинамических процессов, среди которых растворение (коррозия) является ведущим.

Другие карстообразующие процессы - эрозия, обрушение, выветривание. В нерастворимых породах, покрывающих закарстованные толщи или прилегающих к ним, развиваются также просадки, обрушение, оползни, суффозия, эрозия и др. процессы. Аккумулятивные образования в карстовых поверхностных и подземных формах можно разделить на две группы. К первой относятся продукты, образованные из самих карстующихся пород в результате их химического или механического разрушения - автохтонные образования. Вторую группу образуют аллохтонные продукты - заполнения карстовых понижений и полостей за счёт поступления аллювиальных, делювиальных, органогенных, антропогенных, гидротермальных и других образований, а также льда. Особую группу представляют карстовая брекчия, песок и мука, образующиеся в результате разрушения карстующихся пород в течение длительного геологического времени. Эти автохтонные карстовые отложения возникают в различных зонах циркуляции как химическим путём (за счёт растворения), так и механическим - при обрушении (карстовая брекчия). Карстовая мука и песок возникли, главным образом, в зонах горизонтальной и глубинной циркуляции, а карстовая брекчия в первой из них и в зоне вертикальной нисходящей циркуляции.

К поверхностным карстовым формам относятся: карры (шрамы), карстовые желоба и рвы (более глубокие, с крутыми бортами), богазы, карстовые воронки, блюдца и западины (нечётко выраженные мелкие воронки), котловины (на дне которых могут развиваться воронки), суходолы, полья - наиболее крупные карстовые формы (тектонические; возникшие путём подземного механического выноса нерастворимой породы, залегающей среди карстующихся известняков или на контакте с ними; возникшие за счёт слияния группы воронок и котловин при их росте в горизонтальном направлении; провальные.), карстовые останцы (характерны для тропического карста). Переходными от поверхностных форм к пещерам типа гротов являются навесы и ниши; естественные мосты и арки возникают чаще всего при обрушении потолка пещерных тоннелей, ниш.

К подземным карстовым формам относят колодцы и шахты, пропасти, пещеры.

Карстовые колодцы и шахты - это вертикальные или крутонаклонные полости; к шахтам относят полости глубже 20 м, достигающие нескольких десятков и сотен метров. Полости колодцев и шахт могут быть провальными (гравитационными); гравитационно-коррозионными, образованными путём выщелачивания водой карстующихся пород по трещинам и частичных обрушений; нивально-коррозионными, возникшими вследствие коррозирующего действия (по трещинам) талых снеговых вод; коррозионно-эрозионными, которые образованы устремляющимися потокам, производящими размыв, подготавливаемый растворением по спайкам зёрен горной породы; образованные подобным же действием восходящих по трещинам артезианских вод.

Карстовые пропасти представляют собой комбинации естественных шахт с горизонтальными и наклонными пещерными ходами. К ним относятся глубочайшие карстовые полости мира, достигающие глубины более 1000 м.

Большинство карстовых пещер образуется при ведущей роли выщелачивания, часто при совместном действии растворения и размыва горной породы (размыва, подготавливаемого растворением по спайкам зёрен). Значительна бывает и роль обрушений породы, особенно на зрелых стадиях разработки пещерных полостей. Некоторые пещеры возникли под действием термальных и минеральных вод. Пещерные полости так называемого «рудного карста» развились под действием на известняк сернокислых растворов, образовавшихся пи окислении пирита и других сульфидов. Встречаются пещеры, представляющие собой в основе сильно раскрытые тектонические трещины, но моделированные процессами выщелачивания (подземные карры и пр.) и осаждения по стенам трещин натечно-капельных образований.

3. Подземные воды в закарстованных породах

Карстовые воды - подземные воды, которые циркулируют по трещинам и пустотам карстового происхождения, называют карстовыми или трещинно-карстовыми.

Движение карстовых вод происходит по весьма сложной системе трещин, каверн, карстовых каналов и пещер. Карстовые воды, перемещающиеся по системе взаимосвязанных крупных карстовых полостей (пещер), образуют карстовые потоки.

Когда карстовый массив пересекает крупная река, образуется несколько гидродинамических зон. Вода, стекающая по продуктам выветривания карстующихся пород, образует зону поверхностного движения, или зону аэрации, где осуществляется главным образом нисходящее движение инфильтрационных и инфлюационных (лат. «инфлюацио» - втекание) вод, с которыми связано формирование поверхностных карстовых форм. Многочисленные трещины и вертикальные карстовые полости отводят воду вглубь карстового массива, где выделяются несколько зон движения карстовых вод. При высоком стоянии их уровня происходит горизонтальное движение воды, при низком - вертикальное, в соответствии, с чем осуществляется направленное выщелачивание карстующихся пород. Вначале вода движется вниз примерно по вертикали. Это зона вертикального нисходящего движения карстовых вод, её мощность колеблется от 30-100 м на равнине до 100-200 - 2000 м в горах. Ниже, на уровне днищ речных долин, вертикальное нисходящее движение сменяется почти горизонтальным. Это зона горизонтального движения карстовых вод, для которой характерна постоянная обводнённость и наличие слабого уклона водного зеркала к реке. После весеннего снеготаяния и сильных ливней уровень воды здесь может повышаться на 5-100 м, в горных районах на 100-200 м. Поэтому выделяется промежуточная зона, лишь периодически насыщенная водой, где в разные сезоны происходит вертикальное или горизонтальное движение карстовых вод. Для всех этих трёх зон характерен свободный контакт воды с воздухом, содержащим до 0, 05-0, 5% углекислоты, поступающей с поверхности, за счёт биохимических процессов, происходящих в почвенном слое, а также формирующейся под землёй при окислении органических веществ и различных минералов (преимущественно пирита). С последними двумя зонами связаны горизонтальные каналы пещер и нисходящие карстовые источники, располагающиеся либо образующиеся несколько этажей, на равнинах часто соответствующих уровням речных террас. Ниже выделяют зону сифонного движения, где вода движется по полностью заполненным водой каналам различной ширины. Особенно велики эти каналы в приречной зоне, что даёт основание выделять подзону поддолинной циркуляции. Ниже располагается зона глубинного движения. Скорость воды здесь невелика (менее 100 м/сут), и она находится под напором. С зоной сифонного движения связаны восходящие карстовые источники, часто имеющие огромный расход.

Гидродинамические зоны в карстовом массиве: I - зона поверхностного движения II - зона вертикального нисходящего движения IV - зона горизонтального движения V - зона сифонного движения Va - приречная зона VI - зона глубинного движения

При восходящем развитии земной коры в условиях большой мощности известняковых толщ и складчатой структуры возникают многоэтажные системы пещерных галерей (горизонтальные или почти горизонтальные), заложение которых не связано с соответствующим наслоением горных пород. Палеозоологические и археологические данные свидетельствуют о более древнем возрасте верхних этажей в сравнении с нижними, указывая на некоторую аналогию с развитием террасовых уровней речных долин. Каждый уровень соответствует длительному эрозионно-аккумулятивному циклу развития речной долины. С такими террасами, расположенными на разных высотах коррелируются (лат. «корреляцио» - соотношение) карстовые пещеры. Зная возраст террас, можно приближённо оценить время формирования пещер. При оценке степени закарстованности массива важно знать историю геологического развития района.

Карстовые воды, образующие горизонтальные каналы, примерно перпендикулярные реке, могут формироваться до 30-35 м ниже дна реки. При поднятии района пойма превратится в новую террасу, а канал подруслового, параллельного реке, потока и сопряжённые с ним горизонтальные каналы, перпендикулярные реке, в зависимости от глубины вертикального врезания реки будут вскрыты или не вскрыты рекою, меандрирующей на новом, более низком, уровне. В случае вскрытия горизонтальные каналы превратятся вначале в пещеры с источниками, а затем в сухие пещеры. В то время, когда по пещере течёт источник, в ней образуется однообразный уклон к реке, который мог отсутствовать, когда канал входил в зону сифонной циркуляции. Иногда широкая и высокая арка входа в пещеру является не только результатом обрушения свода и принятия наиболее устойчивой формы, но реликтом былой зоны сифонной циркуляции; необходимо, конечно, учитывать и роль последующих колебательных движений, изменяющих наклон земной коры в районе

Питание карстовых вод осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, подпитывания со стороны поверхностных водотоков и водоемов, а также перетекания подземных вод из других водоносных горизонтов. Значительная трещиноватость карстовых массивов способствует интенсивной инфильтрации атмосферных осадков и накоплению больших запасов карстовых вод. Как правило, подземные воды, циркулирующие в сильно закарстованных породах, обладают значительной водообильностью.

Химический состав карстовых вод определяется в основном составом вмещающих пород и гидродинамической зональностью. В зоне интенсивного водообмена карстовые воды обычно пресные, гидрокарбонатные (в известняках) или жесткие сульфатные (в гипсах). В зонах замедленного водообмена карстовые воды минерализованные и сильно минерализованные, вплоть до рассолов, состав -- хлоридный.

4. Образование трещиноватых пород

Трещиноватость горных пород может возникнуть при образовании самих горных пород (первичная трещиноватость) или под воздействием более поздних экзогенных или эндогенных процессов. В осадочных горных породах первичные трещины образуются при диагенезе, сопровождаемом уплотнением и обезвоживанием осадка. В магматических горных породах возникают первичные контракционные трещины, компенсирующие уменьшение объёма охлаждающихся магматических тел. При экзогенных процессах развиваются трещины выветривания, трещины, связанные с расширением пород при снятии с них нагрузки (на склонах и в днищах речных долин и оврагов), трещины, сопровождающие образование оползней, обвалов и провалов. При эндогенных процессах образуются трещины отрыва и скалывания.

По степени проявления трещины могут быть открытые, закрытые и скрытые. Блоки и глыбы, на которые горные породы делятся трещинами, называются отдельностями. По положению в пространстве различают вертикальные, наклонные и горизонтальные трещины. В слоистых толщах пород по отношению к слоистости трещины могут быть поперечными, диагональными или параллельными.

Трещины отрыва развиваются в направлении максимальных нормальных растягивающих напряжений, перпендикулярно к растяжению пород или в направлении их сжатия; они коротки, имеют неровные шероховатые поверхности и широко распространены в замках складок на сводах куполов, крыльях разрывов. Трещины скалывания возникают в направлении максимальных касательных напряжений под углом около 45° к оси сжатия или растяжения; они ровные, прямые, нередко со следами притирания, вытянутые на десятки и сотни м на земной поверхности и в глубину. Особым видом трещин скалывания является кливаж.

Существует несколько классификаций горных пород по трещиноватости, в основу которых положены генетические, морфологические, горнотехнические и другие признаки. Эти классификации характеризуют трещины по различным параметрам и поэтому не исключают, а дополняют друг друга.

· По степени открытости и проявленности различают:

- скрытые (микротрещины, невидимые невооруженным глазом и -обнаруживающиеся лишь при ударе по породе),

- закрытые (хорошо заметные, но с плотно прижатыми стенками) иоткрытые (обладающие некоторой полостью) трещины.

- открытые трещины, частично или полностью могут быть заполнены (выполнены, залечены) каким-либо посторонним материалом -заполнителем: осадочным, магматическим, жильным веществом или продуктами дробления исходной породы.

· По размерам выделяют:

- малые, или внутрипластовые, трещины, когда они не выходят за пределы одного пласта.

- большие трещины - секущие несколько пластов; абсолютная длина большинства трещин - метры и десятки метров; но она может колебаться от миллиметров до сотен метров.

· По форме выделяют:

прямые, дуговидные, кольцевые, изломанные трещины с гладкими или неровными краями.

· По углу падения выделяют:

- горизонтальные трещины с углом падения0-5°,

- пологие -5-20°,

- слабонаклонные -30-45°,

- крутые -45-80°,

- вертикальные - 80-90°.

Угол падения трещин может меняться от 0° до 90°.

· По отношению к залеганию слоя трещины могут быть:

- нормальными (перпендикулярными), наклонными и согласными (параллельными) к слою.

· По отношению к простиранию линейных и брахиформных складок выделяют:

продольные, поперечные, диагональные и косые трещины. На округлых складках могут быть выделены: радиальные и концентрические трещины.

· По отношению к оруденению выделяют:

дорудные, внутрирудные и послерудные трещины.

· По характеру действия сил, приведших к возникновению трещин,

все трещины горных пород, независимо от источника сил, делятся на трещины отрыва и трещины скалывания.

- трещины отрыва (раскола) образуются в плоскости, параллельной сжимающим силам и перпендикулярной растягивающим силам, когда величина последних превышает предел прочности породы на отрыв. В момент образования эти трещины открыты. Вдоль стенок трещин отрыва не наблюдаются даже небольшие смещения, так как перемещение в породе направлено перпендикулярно к стенкам трещины.

Размеры трещин отрыва колеблются в широких пределах: от микроскопических (невидимых глазом) до нескольких десятков, сот метров в длину, при ширине открытия от миллиметров до метров. К трещинам отрыва часто приурочены дайки магматических пород, рудные и нерудные жилы, они могут быть коллекторами нефти и газа, подземных вод.

- открытые трещины отрыва часто водоносны и нередко они обусловливают большой приток подземных вод к горным выработкам, а также большие потери воды на фильтрацию из каналов, водохранилищ, плотин.

5. Подземные воды в трещиноватых породах

Трещинно-грунтовые воды развиты в верхней трещиноватой зоне кристаллических массивов (до глубины 80--100 м). Питаются они в основном за счет инфильтрации атмосферных осадков и отличаются значительными колебаниями уровня подземных вод во времени. Площади их питания совпадают с площадями распространения. Глубина залегания трещинно-грунтовых вод возрастает от долин к водоразделам (от нескольких метров до 80 м и более). Водоупором трещинно-грунтовых вод служат монолитные нетрещиноватые скальные породы. Водообильность трещинно-грунтовых вод определяется условиями их питания и степенью трещиноватости горных пород. Скальные породы, распространенные в долинах рек тектонического происхождения, более трещиноваты и водообильны, чем породы, слагающие водораздельные возвышенности. Буровая скважина может вскрыть водообильные трещинные воды или остаться безводной.

Трещинно-грунтовые воды обычно расположены в зоне активного водообмена, поэтому в большинстве случаев они пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава. Быстрое проникновение поверхностных осадков по системе трещин на глубину может приводить к загрязнению вод вредными органическими соединениями. Это необходимо учитывать при оценке трещинно-грунтовых вод для питьевого водоснабжения.

Межпластовые трещинные воды циркулируют в артезианских бассейнах, водоносные горизонты которых представлены трещиноватыми горными породами.

Трещинно-жильные воды развиты локально, исключительно в зонах тектонических нарушений с крупными трещинами. Это линейно вытянутые узкие водные потоки (жилы), уходящие в глубину на несколько сот метров, поэтому они часто имеют повышенную температуру. Для трещинно-жильных вод характерен напорный режим. Как правило, они отличаются значительной водообильностью, нередко разгружаются на поверхности земли и образуют мощные родники.

Трещинно-жильные воды получают питание за счет трещинно-грунтовых вод, разгрузки глубокозалегающих напорных водоносных горизонтов и других источников.

При строительстве подземных сооружений (трубопроводы, тоннели и др.) в горно-складчатых областях необходимо принимать меры, предотвращающие внезапный прорыв водообильных трещинно-жильных вод.

Движение воды в скальных трещиноватых породах происходит по открытым трещинам, тогда как монолитные участки самих пород, находящихся между трещинами, являются непроницаемыми.

Ширина трещин в скальных породах колеблется в очень больших пределах. Трещины шириной более 0,2--5 мк уже могут пропускать свободную воду и передавать гидростатическое давление.

Процессы образования трещин в скальных породах многообразны и находятся в сложных сочетаниях друг с другом. Поэтому трещины имеют сильно изменчивую интенсивность развития, взаиморасположение и ширину. Однако, несмотря на большое разнообразие процессов, обусловливающих развитие трещин, различные скальные породы в зависимости от условий их залегания и других факторов имеют свои характерные черты в проявлении неоднородности развития трещин и водопроницаемой способности.

Заключение

В ходе работы я узнала, что карстовые и трещиноватые воды могут легко загрязняться с поверхности земли в силу особенностей оброзавания трещин и карстов в породах, поэтому исследованию их бактериального загрязнения должно придаваться большое значение. В целом роль подземных вод в разрешении проблем водоснабжения многих районов страны существенна, так как они постоянно пополняют колодцы, каналы, бассейны рек, озера, водохранилища, и могут служить источниками водопользования населения. Вместе с тем значительная водообильность подземных вод может вызвать и серьезные осложнения при строительстве и эксплуатации различных сооружений в толще закарстованных пород (повышенные водопритоки к строительным котлованам, утечки вод из водохранилищ и т. д.).

Список литературы

1. http://xreferat.ru/20/883-3-karstovye-porody.html

2. http://xreferat.ru/20/883-1-karstovye-porody.html

3. http://www.studfiles.ru/preview/416704/

Размещено на Allbest.ru